具有容错能力的电动汽车驱动和充电系统及故障重构方法与流程

本发明涉及一种具有故障容错能力的电动汽车驱动和快速充电一体化系统，属于电机系统及控制领域。

背景技术：

电动汽车作为当前解决交通领域环境污染和能源危机的重要途径，越发受到全球领域的关注，在当前汽车行业技术日益成熟的今天，电动汽车普及推广的关键制约问题为蓄电池及其充电技术，其中充电技术成为电动汽车续航和成本的关键。目前电动汽车的蓄电池充电方式主要又两种，一种车载慢充装置，将蓄电池的充电装置安置电动汽车上，可以利用普通单相交流电源或安置于公共建筑(公共楼宇、商场、公共停车场等)和居民小区停车场内的充电插座或者充电桩直接充电，具有充电便利的优点，但是该慢速充电装置存在的问题是充电功率比较小，车载蓄电池充满电耗时较长，影响到电动汽车的利用率，并且该车载充电机在电动汽车行驶过程中为固有的负载，影响整车运行性能的提升；另外一种为解决慢充装置充电速度的快速充电桩，通常布置于专用充电站，通过大功率变换器将工业三相交流电转换为大功率直流电，直接给车载蓄电池充电，可以在短时内快速完成蓄电池的充电，能够有效提高电动汽车的充电效率和利用率，但是该快速充电装置由于功率、体积和重量较大，安装于电动汽车严重占据电动汽车有限的空间和重量资源，在推广电动汽车的应用过程中需要辅助建立配套的快速充电站，同样在成本、场地和环境适应性等方面也受到了很大的限制。

目前电动汽车系统中驱动变换器将蓄电池的直流电能根据驱动电机的需求转换为交流电，仅实现了驱动功能，在车载蓄电池充电过程中，该驱动变换器并不工作，而是由额外的慢充或快充装置给蓄电池充电，使得电动汽车系统中驱动和充电过程需要分别的装置，导致电动汽车不可避免的面临着充电时间和便利性的问题，而驱动电机功率变换器自身具有四象限和能量双向流动的特点，为有效利用电动汽车车载设备，专利cn102738878a利用电机驱动用电力电子变换器，在驱动过程连接电机，充电过程利用两相变换器桥臂，通过切换开关连接单相交流电源，实现车载慢冲装置的功能。也有专利cn201410831633.7、cn106183875a充分利用电动汽车驱动用双向功率变换器，在驱动运行过程双向功率变换器连接三相电机，充电运行过程中，通过切换开关将驱动电机切除，通过隔离变压器或滤波电感接入三相交流电源，控制双向功率变换器工作于pwm整流模式，为车载蓄电池充电。上述利用驱动变换器和电机构成车载充电装置不但可以有效提高电动汽车车载设备的利用率，还能够实现车载充电和驱动装置一体化集成功能，不仅能够减少设备占用的电动汽车宝贵的体积和重量资源，还能够解决传统快速充电所受到的充电站建设条件的限制等问题，成为当前电动汽车驱动和充电一体化系统的主要发展方向。

然而功能复用的电力电子变换器作为电动汽车驱动和充电系统的关键部件，其自身在开关调制过程承受各种电压和电流应力，工作模式的切换过程更加使得系统运行可靠性受到影响，作为电动汽车系统中比较薄弱的环节，可靠性又直接影响到电动汽车驱动性能，为此，在电动汽车驱动系统的设计通常需要设计多相绕组结构电机配合多桥臂变换器或者为驱动功率变换器侧增加冗余度，在电机绕组或变换器故障之后，能够利用系统冗余度在维持驱动系统一定性能的条件下，实现故障后容错运行，但是多相结构电机的不成熟性、冗余变换器的低利用率问题又直接影响到该冗余方案在电动汽车系统中的推广和应用。

开绕组结构电机系统是一种具有优良驱动性能和故障容错特性的新型驱动系统，将传统星型绕组连接的电机中性点打开，构成绕组开放式结构，在电机绕组的两端分别连接两套变换器，通过两套变换器的协调控制既可以实现三电平的驱动控制，又能够实现倍频控制特性，在相同电流纹波控制要求下，可以降低变换器的调制频率，有助于提高驱动系统的整体效率和驱动输出特性，并且从开绕组电机驱动控制技术可以发现，双变换器具有的输出电压矢量冗余的特性，结合开绕组电机的绕组独立特点，能够在变换器出现单桥臂故障之后，利用剩余的最小电压矢量，实现对开绕组电机容错后的基本控制，并维持一定的输出能力，验证了开绕组电机驱动系统具有优良的故障容错能力，能够适用于各种高可靠性要求的应用场合。开绕组电机的双端口结构，非常适合于构成车载驱动和充电一体化系统，如美国us20130342135a1利用开绕组结构电机和三组h桥变换器(等效为双三相变换器)构成适合电动汽车用的驱动系统，并可以在开绕组电机绕组上连接单相交流或直流电源，实现对高压蓄电池的充电功能。us9018809b2在开绕组电机结构的基础上，采用双三相变换器既能够实现开绕组电机的驱动功能，还能够在充电状态，通过切换开关将三相交流电网接入电机三相绕组，将电机绕组等效为三相pwm整流的输入滤波电感，使得三相变换器工作于pwm整流模式快速实现蓄电池的充电功能，但是该方案存在的问题是充电阶段利用电机三相绕组通入三相交流电，存在充电过程驱动电机输出力矩和振动冲击的问题，需要增加额外的电机转子锁定装置，或者充电过程中取出电机转子。因此研究文献“flux-weakeningoperationofopen-endwindingdriveintegratingacost-effectivehigh-powercharger”利用开绕组电机的各相绕组独立特点，将每相绕组的中点引出通过充电开关连接三相交流电源，利用每相绕组自身的对称特性相互抵消充电过程中电流效应，消除充电电流产生的转矩及其冲击问题，大大推进了开绕组电机系统在电动汽车驱动和快速充电一体化系统中的应用，法国valeo公司即是采用该技术方案实现了电动汽车车载驱动系统和快速充电装置一体化功能。然而，上述开绕组电机驱动和充电一体化方案中仍然存在变换器或电机绕组的故障问题，现有的开绕组电机系统故障容错技术仍然基于其基本的小电压矢量输出特性，维持故障后的系统基本输出性能，相比较故障前容错后的系统运行转速范围和转矩输出能力都受到了一定的限制，因此如何相关容错方案保留开绕组电机系统故障后的输出能力，成为进一步提高开绕组电机系统的可靠性的关键，也是提升基于开绕组电机系统的电动汽车系统性能的重要途径。

技术实现要素：

本发明的目的即在电动汽车用开绕组电机驱动系统的基础上，提出一种具有故障容错能力的驱动和充电一体化系统。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的具有容错能力的电动汽车驱动和充电系统，所述的驱动和快速充电系统包括车载蓄电池、双三相变换器、开绕组电机、容错开关、充电开关，所述的车载蓄电池连接于双三相变换器的直流侧，开绕组电机采用分裂绕组结构，每相绕组的中心点连接于充电开关，容错开关连接于开绕组电机对应相绕组的两端；

正常运行过程中，车载蓄电池通过双三相变换器控制开绕组电机实现驱动功能，三相交流电源通过充电开关和分裂绕组结构开绕组电机，由双三相变换器反向给蓄电池快速充电；

容错运行过程中，在双三相变换器的一相或两相桥臂出现开路故障之后，对应的容错开关实现双三相变换器拓扑的重构，并结合相应的驱动和充电控制，实现系统故障容错后的驱动和充电功能。

所述双三相变换器包括开关sa1-sa2连接构成桥臂a，sb1-sb2连接构成桥臂b，sc1-sc2连接构成桥臂c，桥臂a、b、c组成三相变换器；以及开关sa1’-sa2’连接构成桥臂a’，sb1’-sb2’连接构成桥臂b’，sc1’-sc2’连接构成桥臂c’，桥臂a’、b’、c’组成另一个三相变换器，双三相变换器的直流侧连接车载蓄电池；

开绕组电机的绕组一端a、b、c分别连接于桥臂a、b、c，开绕组电机的绕组另一端a’、b’、c’分别桥臂a’、b’、c’，其中开绕组电机绕组端部a、b’之间连接故障容错开关k1，端部b、c’之间连接故障容错开关k2，端部c、a’之间连接故障容错开关k3；

开绕组电机的每相绕组采用分裂式结构，每相绕组的中点分别与充电开关相连。

所述双三相变换器的其中一相或多相桥臂出现开路故障之后，该故障桥臂对应的容错开关对应开通，将双三相变换器重构为五桥臂或四桥臂变换器，桥臂a出现开路故障后，k1开通将开绕组电机的a相绕组的a端和b相绕组的b’端相连，封锁桥臂a的驱动信号，双三相变换器重构为五桥臂变换器，桥臂b出现开路故障后，k2开通将开绕组电机的b相绕组的b端和c相绕组的c’端相连，封锁桥臂b的驱动信号，重构双三相变换器，桥臂c出现开路故障后，k3开通将开绕组电机的c相绕组的c端和a相绕组的a’端相连，封锁桥臂c的驱动信号，重构双三相变换器，双三相变换器的a’、b’和c’桥臂开关故障后，变换器重构方式相同。

在所述桥臂a出现开路故障后，容错开关k1开通将开绕组电机的a相绕组的a端和b相绕组的b’端相连，封锁桥臂a的驱动信号，双三相变换器重构为五桥臂变换器，桥臂b出现开路故障后，容错开关k2开通将开绕组电机的b相绕组的b端和c相绕组的c’端相连，封锁桥臂b的驱动信号，重构双三相变换器，桥臂c出现开路故障后，容错开关k3开通将开绕组电机的c相绕组的c端和a相绕组的a’端相连，封锁桥臂c的驱动信号，重构双三相变换器，双三相变换器的a’、b’和c’桥臂开关故障后，变换器重构方式相同。

在所述桥臂a、b出现开路故障后，容错开关k1和k2开通将开绕组电机的a相绕组的a端和b相绕组的b’端相连，b相绕组的b端和c相绕组的c’端相连，封锁桥臂a、b的驱动信号，双三相变换器重构为四桥臂变换器，桥臂b、c出现开路故障后，容错开关k2和k3开通将开绕组电机的b相绕组的b端和c相绕组的c’端相连，c相绕组的c端和a相绕组的a’端相连，封锁桥臂b、c的驱动信号，重构双三相变换器，桥臂c、a出现开路故障后，容错开关k1和k3开通将开绕组电机的c相绕组的c端和a相绕组的a’端相连，a相绕组的a端和b相绕组的b’端相连，封锁桥臂c、a的驱动信号，完成双三相变换器的重构，双三相变换器的a’、b’和c’出现双桥臂开关故障后，变换器重构方式相同。

在驱动运行过程中，通过五桥臂变换器驱动开绕组电机，其中某一相桥臂被两个绕组端部复用，对开绕组电机采用中电压矢量调制的策略，对应电机三相绕组两端的变换器桥臂调制信号互差120°，双三相变换器中桥臂a的调制信号与桥臂b’相同，桥臂b的调制信号与桥臂c’相同，桥臂c的调制信号与桥臂a’相同，故障重构过程中，切换开关将具有相同调制信号的桥臂复用，构成五桥臂变换器，根据驱动系统电流环输出的参考电压矢量，采用svpwm调制获得桥臂a、b、c或桥臂a’、b’、c’的控制信号，根据对应桥臂的调制信号相同的逻辑，综合实现五桥臂变换器的调制，控制开绕组电机驱动运行，在快速充电运行过程，开绕组电机的三相分裂绕组等效为交流电源输入侧三相电感，五桥臂变换器工作于pwm整流模式，五桥臂pwm整流器的调制方式类似于驱动运行过程，交流电源侧单位功率因数输出，实现对车载蓄电池的快速充电。

在驱动运行过程中，通过四桥臂变换器驱动开绕组电机，有两相桥臂分别被两个绕组端部复用，对开绕组电机采用中电压矢量调制的策略，在双三相变换器中a相桥臂的调制信号与b’桥臂相同，b相桥臂的调制信号与c’桥臂相同，c相桥臂的调制信号与a’桥臂相同的特点仍然存在，具有相同调制信号的桥臂可以复用，构成四桥臂变换器，根据驱动系统电流环输出的参考电压矢量，采用svpwm调制获得四桥臂的调制信号，实现开绕组电机的驱动控制；

在充电运行过程，开绕组电机的三相分裂绕组等效为交流电源输入侧三相电感，四桥臂变换器工作于pwm整流模式，四桥臂pwm整流器的调制方式与驱动运行过程相同，交流电源侧单位功率因数输出，实现对车载蓄电池的快速充电。

故障重构后的系统驱动和充电一体化功能实现及其控制方法如下：

(1)系统重构为五桥臂变换器之后，驱动运行过程中采用电流闭环控制方式，加速过程中通过油门装置设定驱动电机的输出转矩，对应控制系统中计算相应的电流闭环控制中q轴给定电流值，将d轴给定电流设置为零，采用矢量控制方式，控制系统采集开绕组电机三相绕组电流结合转子位置信息，经坐标变换后获得d、q轴反馈电流信号，将电流环给定与反馈偏差分别经过pi调节器获得d、q轴电压值，通过park反变换得到α、β轴电压值，根据五桥臂变换器的特点采用非对称的有效电压矢量分配方式，经svpwm调制后产生十路pwm信号，分别驱动五桥臂变换器的igbt，实现开绕组电机的驱动控制。充电运行状态，五桥臂变换器工作于电压、电流双闭环控制模式，蓄电池直流侧检测电压与给定充电电压比较之后，经过pi调节器后输出d轴给定电流，设置q轴电流给定为零，控制系统采集开绕组电机三相绕组电流结合充电三相电源的电压矢量角，经坐标变换后获得d、q轴反馈电流信号，将电流环给定与反馈偏差分别经过pi调节器获得d、q轴电压值，通过park反变换得到α、β轴电压值，类似驱动控制，根据五桥臂变换器的非对称结构分配有效电压矢量，经svpwm调制后产生十路pwm信号，分别驱动五桥臂变换器的igbt，实现充电运行状态的pwm整流控制。在驱动和充电控制过程中，五桥臂变换器的开关调制策略不变，区别在于驱动和充电时的电流内环和电压外环的控制方式，可以通过软件根据工作模式的判定实现两种控制方式的切换，以实现双功能的集化。

(2)系统重构为四桥臂变换器之后，驱动运行过程中电动汽车采用电流环控制方式，发电运行过程中采用电压、电流双闭环的控制，与容错后的无桥臂变换器的控制方式一致，两者容错方案的区别在于变换器的调制方法，五桥臂变换器对应三相电机为非对称结构，驱动和充电控制过程中电流环输出的有效电压矢量需要根据五桥臂变换器的结构来分配各自的有效电压矢量，同样，在容错后重构的四桥臂变换器系统中也是如此，控制系统结构相同，但是变换器的方式有所区别，四桥臂变换器相对开绕组电机的三相绕组的非对称性更加明显，为实现对电机驱动或整流输出的有效控制，四桥臂变换器也需要根据其结构特点，分配相应的有效电压矢量，以系统实现驱动和充电功能。

附图说明

图1为本发明具有容错能力的电动汽车驱动和充电系统系统结构图；

图2为本发明具有容错能力的电动汽车驱动和充电系统故障重构方法流程图；

图3为单桥臂开路故障后的系统重构拓扑结构图；

图4为双桥臂开路故障后的系统重构拓扑结构图；

图5为单桥臂开路故障后系统的驱动运行控制框图；

图6为单桥臂开路故障后系统的充电控制框图；

图7为双桥臂开路故障后系统的驱动运行控制框图；

图8为双桥臂开路故障后系统的充电控制框图。

具体实施方式

本发明所述的故障容错型开绕组电机驱动和充电一体化系统结构如图1所示，主要包括车载蓄电池、双三相变换器、开绕组电机、容错开关、充电开关等组成，其中开绕组电机绕组采用分裂式绕组结构，将每相绕组的中点引出连接充电开关，所述系统的故障容错实现的措施在于各相绕组端部之间通过容错开关k1、k2、k3相连接，在变换器桥臂出现故障之后，重构变换器拓扑结构。下面将结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

图2为故障容错型开绕组电机驱动和充电一体化系统的容错控制流程图，系统正常运行过程中控制器根据周期性的自检结果判定当前系统的状态，无故障，系统进行正常运行状态，根据当前电动汽车的运行模式进入驱动或充电状态，驱动运行过程中，充电开关断开，车载蓄电池通过双三相变换器驱动开绕组电机，发电运行过程中，充电开关闭合，电网三相交流电经过电机三相绕组和双三相变换器的pwm整流输出给车载蓄电池充电。系统出现变换器故障后，判定为单桥臂故障后，控制系统转入单桥臂容错控制模式，通过故障容错开关重构双三相变换器为五桥臂变换器拓扑，以双三相变换器的a相桥臂开关出现故障为例，封锁a相桥臂开关信号，并将容错开关k1闭合，切除故障桥臂a，利用剩余的b、c、a’、b’、c’桥臂重构成五桥臂变换器，如图3所示，控制软件转入五桥臂容错模式，根据系统的运行模式，驱动运行过程中，充电开关断开，车载蓄电池通过五桥臂变换器驱动开绕组电机，发电运行过程中，充电开关闭合，电网三相交流电经过电机三相绕组和五桥臂容错变换器的pwm整流输出给车载蓄电池充电。

判定变换器两相桥臂故障后，以a、b出现开路故障为例，封锁两相桥臂驱动信号，k1和k2开通将开绕组电机的a相绕组的a端和b相绕组的b’端相连，b相绕组的b端和c相绕组的c’端相连，切除桥臂a、b，将双三相变换器重构为四桥臂变换器，如图5所示，控制系统转入双桥臂容错控制模式，通过故障容错开关重构双三相变换器为四桥臂变换器拓扑，控制软件转入四桥臂容错模式，根据系统的运行模式，驱动运行过程中，充电开关断开，车载蓄电池通过四桥臂变换器驱动开绕组电机，发电运行过程中，充电开关闭合，电网三相交流电经过电机三相绕组和四桥臂容错变换器的pwm整流输出给车载蓄电池充电。

图5为单桥臂开路故障后的系统驱动运行控制框图，具体实现过程：采用转矩电流直接控制方式，根据电动汽车驱动运行所需的转矩设置控制系统中q轴电流给定值iq^*，采集开绕组永磁同步电机三相绕组电流ia、b、c，结合转子位置信息经abc-dq坐标变换后获得d、q轴反馈电流值id、iq，将iq^*与id^*＝0分别与反馈值作差后经过pi调节器输出d、q轴电压值ud、uq，通过dq-αβ变换得到uα、uβ，合成旋转电压矢量，经svpwm调制后，根据各相桥臂对应的调制关系，产生十路pwm信号，分别驱动五桥臂变换器的各个igbt，控制变换器驱动开绕组电机实现电流闭环控制。

图6为单桥臂开路故障后的系统充电运行控制框图，具体实现过程：采用电压电流双闭环控制方式，直流侧设置电压与给定电压比较之后，经过pi调节器后输出d轴给定电流，设置iq^*＝0，控制系统采集开绕组电机三相绕组电流结合充电三相电源的电压矢量角，经坐标变换后获得d、q轴反馈电流信号，将电流环给定与反馈偏差分别经过pi调节器获得d、q轴电压值，通过park反变换得到α、β轴电压值，采用非对称分配方式，经svpwm调制后，根据各相桥臂对应的调制关系，产生十路pwm信号，分别驱动五桥臂变换器的igbt，实现充电运行状态的pwm整流控制。

图7为双桥臂开路故障后的系统驱动运行控制框图，具体实现过程：采用转矩电流直接控制方式，根据电动汽车驱动运行所需的转矩设置控制系统中q轴电流给定值iq^*，采集开绕组永磁同步电机三相绕组电流ia、b、c，结合转子位置信息经abc-dq坐标变换后获得d、q轴反馈电流值id、iq，将iq^*与id^*＝0分别与反馈值作差后经过pi调节器输出d、q轴电压值ud、uq，通过dq-αβ变换得到uα、uβ，合成旋转电压矢量，经svpwm调制后，根据各相桥臂对应的调制关系，产生八路pwm信号，分别驱动四桥臂变换器的各个igbt，控制变换器驱动开绕组电机实现电流闭环控制。

图7为单桥臂开路故障后的系统充电运行控制框图，具体实现过程：采用电压电流双闭环控制方式，直流侧设置电压与给定电压比较之后，经过pi调节器后输出d轴给定电流，设置iq^*＝0，控制系统采集开绕组电机三相绕组电流结合充电三相电源的电压矢量角，经坐标变换后获得d、q轴反馈电流信号，将电流环给定与反馈偏差分别经过pi调节器获得d、q轴电压值，通过park反变换得到α、β轴电压值，采用非对称分配方式，经svpwm调制后，根据各相桥臂对应的调制关系，产生八路pwm信号，分别驱动四桥臂变换器的igbt，实现充电运行状态的pwm整流控制。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均属于本发明保护范围之内。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。